UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA, AERONAUTICA Y AUTOMOTRIZ Y

SOFTWARE

MONOGRAFÍA

SISTEMA DE LUBRICACION DEL MOTOR WANKEL

ALUMNO:

ORE BAZAN, Jhon Kevin

CUARTO TRABAJO DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

LIMA – PERÚ

2013

2

INTRODUCCIÓN

1.1 CAPITULO 1

Antes de hablar de los motores rotativos o Wankel hay que destacar que

se trata de un motor de combustión interna es decir, es un tipo de motor

que obtiene energía mecánica directamente de la energía química

producida por un combustible que arde dentro de una cámara de

combustión.

1.2 CAPITULO 2

Una vez aclarado este tema hay que decir que Felix Wankel concibió un

motor rotativo en 1924, aunque no se desarrollo completamente hasta los

años 50 y 60. Este tipo de motor ha sido utilizado en motocicletas Suzuki y

ocasionalmente en automóviles (GS Birotor de Citroen) pero ha sido la

compañía japonesa Mazda la que ha hecho una mayor apuesta por este

tipo de motor. Los componentes que existen en el motor Wankel son

importantes porque cada uno de ellos realiza una determinada función.

1.3 CAPITULO 2

El sistema lubricación para el motor rotativo incluye la lubricación de los

sellos y de las superficies deslizantes, como también la lubricación de los

rodamientos del cigüeñal, del rotor, de los engranajes, etc.

Generalmente, en los motores de pequeño tamaño el aceite lubricante

entra al motor premezclado con el combustible, de esta manera se logra

un montaje simple.

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INDICE GENERAL

CAPITULO I

Nº TEMAS / CAPITULOS Nº PÁGINA

1 INTRODUCCIÓN 2

2 CAPITULO I 4

Antecedentes Del Motor Wankel 4

Características 5

Ventajas 6

Desventajas 7

Aplicación 8

3 CAPITULO II 9

Fundamento Del Motor Wankel 9

Estructura 9

Funcionamiento 10

Constitución Y Componentes Del Motor Wankel 12

4 CAPITULO III 15

Sistema De Lubricación Del Motor Wankel 15

Lubricación del cigüeñal 15

Lubricación de los sellos 16

Sello del aceite 18

5 CONCLUSIONES 21

6 RECOMENDACIONES 22

4

ANTECEDENTES DEL MOTOR WANKEL

1.2 Desde 1588 ya se propusieron diseños de motores rotatorios (Ramelli), pero

hubo que esperar trescientos años más para que se pudiera llevar a cabo la

construcción de un motor rotatorio, primero fue el desarrollo del motor del

ciclo Otto en 1876 y la invención del automóvil en el año 1896.

En estos trescientos años de espera, se fueron concibiendo ideas de este

tipo de motores, por ejemplo en 1759 Vatio de James fabricó un motor de

vapor de pistón rotatorio, en 1903 Juan Cooley hizo un motor tipo Wankel, y

en 1908 Umpleby lo aplicó a la combustión interna, pero nunca se llevó a

cabo.

En 1936 Felix Wankel obtuvo una patente para su motor rotatorio. No fue

hasta 1959 en que la fábrica Alemana N.S.U. (productora de motocicletas y

pequeños automóviles) anunció que el motor ideado por el Doctor Ingeniero

Felix Wankel había llegado a un estado experimental y que prometía una

aplicacióm práctica inmediata.

Desde entonces han trabajado en este motor importantes empresas que

adquirieron licencias de aplicación; Curtiss-Wright, en Estados Unidos (en

aplicaciones para motores de aviación); en Alemania, Mercedes Benz (para

automóviles y aplicaciones Diesel); Fitchels-Sans (para motores de

motocicletas) y en Japón Toyo-Kogyo (fabricante de Mazda). Ademas

empresas como Perkins, Rolls-Royce, Fiat, Renault, Citroën y Volkswagen,

se interesaron en una u otra forma.

Ha habido mucha publicidad para este motor ya que en la realidad no ha

tenido muchas dificultades que vencer, pero tiene algunos problemas como

el de estanquidad que se expondrá luego con detalle. Pese a esto la idea de

un motor rotatorio es atractiva por su sencillez, los motores pesan y ocupan

la tercera parte de sus equivalentes con pistones y el número de piezas es

mucho menor

1.2.1 CARACTERISTICAS

5

A continuación voy analizar las características específicas del motor

Wankel, comparándolo con un motor convencional de pistón

alternativo, para una mejor comprensión:

1.2.1.1 Realiza la transformación energética en tres fases que

corresponden a los tres ciclos de trabajo que se dan en cada

vuelta completa del rotor, pero esto lo ejecuta en un ciclo de

cuatro tiempos (admisión, compresión, expansión y escape).

1.2.1.2 La transmisión del movimiento rotativo del rotor cigüeñal se

efectúa mediante el engranaje interior del rotor con una

relación de transmisión tal que por cada vuelta del rotor el

cigüeñal da tres.

1.2.1.3 La entrada y salida de gases del cilindro no se controla con

válvulas, sino que es el propio rotor, en su giro, el que efectúa

esta función destapando y tapando las lumbreras.

1.2.1.4 Comparte las ventajas del motor de dos tiempos, puesto que

también carece de distribución y realiza la admisión y el

escape a trabes de lumbreras: alto rendimiento mecánico, más

económico, etc.

1.2.1.5 Como consecuencia de lo anterior, el motor es más compacto

y ligero: eso hace que pueda girar más rápido, más silencioso

y con menos vibraciones (menos inercia de masas oscilantes).

1.2.1.6 La estanqueidad ha de ser prefecta para evitar que unos

tiempos interfieran en otros, pero resulta muy difícil de

conseguir. Este sistema sufre gran desgaste, lo que obliga a

unos intervalos de mantenimiento más cortos.

1.2.1.7 Son motores muy suaves, ya que todos los componentes de

un motor rotativo giran en el mismo sentido, en lugar de sufrir

las constantes variaciones de sentido a las que está sometido

un pistón.

1.2.1.8 La entrega de potencia es mas progresiva y la velocidad de

rotación menor, puesto que los rotores giran a 1/3 de la

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velocidad del eje. Consecuentemente, las piezas principales

del motor se mueven más lentamente que las de un motor

convencional, aumentado la fiabilidad:

1.2.2 VENTAJAS

1.2.2.1 Este motor tiene un 40 por ciento menos de piezas y la mitad

de volumen y peso de un motor comparable a pistones.

1.2.2.2 Es de diseño simple, hay muy poca vibración y no hay

problemas con la disipación de calor, los puntos calientes, o la

detonación, que son consideraciones en el motor convencional

del intercambio.

1.2.2.3 Los motores de Wankel, la mayoría de los cuales son

enfriados por líquido, son capaces de ejecutarse en las

velocidades inusualmente altas por períodos del tiempo

largos.

1.2.2.4 El motor exhibe una curva excepcionalmente alta de relación

de transformación de potencia-peso y una buena curva del

esfuerzo de torsión a todas las velocidades del motor.

1.2.2.5 La ventaja más grande es que dentro del compartimento del

rotor están ocurriendo los cuatro ciclos simultáneamente,

dando un empuje constante.

1.2.2.6 También, el rotor da una mitad de vuelta de revolución por

cada rotación completa del eje, comparada con una rotación

del eje para un movimiento completo del pistón. Esto da más

esfuerzo de torsión por ciclo de la ignición y también requiere

menos revoluciones por minuto para obtener la misma

potencia que en un motor de pistón.

1.2.2.7 Dentro del Wankel, tres compartimentos son formados por las

caras del rotor y la pared de la cubierta.

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1.2.2.8 También este motor necesitaría una gasolina de setenta

octanos lo que presenta ya una

1.2.2.9 simplificación en la producción de los combustibles.

1.2.3 DESVENTAJAS

1.2.3.1 En el motor los tiempos del ciclo ocurren siempre en el mismo

sitio del estator; la admisión y compresión que pueden ser

consideradas fases frías ocurren en la parte superior mientras

que la explosión y el escape, que son fases calientes, ocurren

en la parte inferior. Esto implica que un lado del motor alcance

temperaturas de 150 ºC y al otro supere los 1000 ºC, lo que

provoca problemas de refrigeración por un desequilibrio

térmico.

1.2.3.2 Otro problema que se ha presentado es el de estanquidad.

Cada uno de los tres lóbulos giratorios debe ser impermeable

respecto a los otros dos para que no perturben las fases del

ciclo. Para esto en el vértice del motor se colocan muelles de

berilio u otro material siguiendo los bordes del estator, esta

pieza es la que más fallas a tenido.

1.2.3.3 El problema de la estanquidad en los vértices se agrava

porque la "fuerza centrífuga" y el empuje del engranaje del

rotor se unan para hacer que el segmento se apriete con gran

fuerza sobre la pared curvada del estator, con presión variable

en cada vuelta.

1.2.3.4 Tiene una baja eficacia en el uso de combustible y además

como la punta de la combustión del rotor es muy exacta, si el

motor está desincronizado la combustión puede llegar a ocurrir

antes de que el rotor este en su posición adecuada, lo que

podría producir es que la ignición empuje el rotor contra el

ciclo del motor dañándolo.

8

1.2.4 APLICACIÓN

El motor Wankel tuvo que esperar más que los motores a pistones

para que su funcionamiento se adecuara con la tecnología existente,

por esto el motor en los años 70 tuvo sus primeros prototipos, como

Mazda que ofreció su modelo RX apagado y encendido. Actualmente

Mazda ofrece el RX-7, que utiliza dos rotores que trabajan

sincrónicamente para la mayor potencia, y los cargadores gemelos de

turbo para el retroceso, agregado más bien que la aplicación

tradicional del rotatorio para la economía. Con sus cargadores

gemelos de turbo el motor puede generar 255 caballos de fuerza con

1,3 litros de capacidad (comparada con la dislocación de Chevrolet

Camaro de 3,8 litros para 200 caballos de fuerza con cilindros, o 285

caballos de fuerza en los 5,7 litros V.

Mazda no es la única compañía que maximiza el diseño de Wankel. El

motor rotatorio del motor B, de Leva & Trade; del rand es un prototipo

del registro Technologies, es una ramificación del diseño rotatorio que

elimina el engranaje complejo de Wankel. Este motor representa

nueve años de trabajo y ofrece la última tecnología en materiales:

hierro y cerámica de altas temperaturas de fundido.

La versión diesel del motor está siendo diseñada por Alliant

Techsystems y la universidad de Virginia Occidental, y será el primer

motor rotatorio diesel en el mundo.

Estos éxitos no significan que el Wankel está sin problemas. Los

motores RX-7 generalmente se consideran confiables por los primeros

seis años, pero luego los sellos comienzan a fallar y las piezas

necesitan ser substituidas, para mantener los compartimentos aislados

el uno del otro.

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CAPITULO II

FUNDAMENTOS DEL MOTOR WANKEL

2.1 ESTRUCTURA

El motor rotativo se compone de una carcasa en forma de capullo y rotor de

forma triangular en el interior. El espacio entre el rotor y la pared de la carcasa

proporciona las cámaras de combustión interna y la presión de la expansión

de los gases sirve para girar el rotor. Con el fin de hacer que el motor rotativo

funcione como un motor de combustión interna; los cuatro procesos de

admisión, compresión, combustión y escape se llevan a cabo en la en la

cámara de combustión dentro de la carcasa.

Supongamos que el rotor triangular fuera colocado concéntricamente dentro

de una cubierta circular de verdad. En este caso, la cámara de combustión no

variaría en volumen a medida que el rotor gira en el interior. Incluso si la

mezcla aire-combustible se encendiera allí, la presión de la expansión del gas

de combustión no haría más que trabajar hacia el centro del rotor y no daría

lugar a la rotación. Por eso la periferia interior de la carcasa se contornea

como una forma curveada llamada trocoide y el rotor gira instalado en un eje

excéntrico.

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2.2 FUNCIONAMIENTO

.

El motor Wankel pertenece a los motores de combustión interna y funciona

según el ciclo de cuatro tiempos. El movimiento de rotación se obtiene

directamente en el pistón (también llamado rotor) que tiene forma triangular y

gira impulsado por la combustión que se produce sucesivamente en sus tres

cámaras radiales.

Los procesos de admisión y escape se realizan mediante lumbreras (como los

motores de dos tiempos) que son controladas por el giro del motor (no se

necesita por tanto distribución).

El rotor de forma triangular gira sobre una excéntrica situada en el árbol

motriz. Durante su rotación, los tres vértices del rotor están en permanente

contacto con la superficie interna de la camisa.

El dentado interno del motor engrana con un piñón describiendo órbitas

alrededor de él. El giro del rotor es trasmitido al árbol motriz a través de la

excéntrica, de manera que por cada revolución del rotor del árbol motriz gira

tres vuelta (el dentado interno describe tres órbitas alrededor del piñón

estacionario) o dicho de otro modo cuando el rotor avanza 120º, el árbol motriz

o eje de salida a girado 360º. Por ejemplo cuando el motor alcanza un régimen

de 3000 rpm el rotor gira solamente a 1000 rpm. (Par motor más uniforme y

más tiempo para realizar el intercambio de los gases.)

En cada una de las tres cámaras que se forman entre el rotor y la carcasa se

llevan a cabo un ciclo de cuatro tiempos en una vuelta del rotor, es decir, tres

ciclos completos por revolución, esto significa que le rotor recibe un impulso

cada 120º (360º en el árbol motriz).

En el motor rotativo el árbol motriz gira 1080º (tres vueltas) para completar un

ciclo en cada una de las tres cámaras, en este tiempo el rotor gira 360º (una

vuelta). En cambio en el motor de pistón alternativo un ciclo completo se

realiza cada 720º (dos vueltas) de rotación del cigüeñal.

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2.2.1 Admisión:

La admisión de la mezcla aire-combustible comienza cuando el vértice

A descubre la lumbrera de admisión, el desplazamiento del rotor

aumenta progresivamente el volumen de la cámara que va llenándose

de aires frescos, hasta que el vértice C cierra al lumbrera.

2.2.2 Compresión:

La mezcla admitida queda encerrada en la cámara de lado AC, que

ahora disminuye su volumen produciéndose la compresión de los

gases, Antes de llegar a la máxima compresión, con un cierto avance,

se produce el encendido mediante el salto de la chispa en la o las

bujías, iniciándose la combustión.

2.2.3 Explosión:

El aumento de presión que produce la combustión, impulsa al rotor

mientras se realiza la expansión de los gases, que se prolonga hasta

que el vértice A abre la lumbrera de escape.

2.2.4 Escape:

Una vez descubierta la lumbrera de escape, los gases quemados son

expulsados a gran velocidad debido a la presión residual de la

expansión. El giro del rotor va disminuyendo el volumen de la cámara

hasta completar el proceso cuando el vértice C rebasa la lumbrera de

escape. La eficacia del intercambio de gases depende de la posición de

las lumbreras.

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2.3 CONSTITUCION Y COMPONENTES DEL MOTOR WANKEL

En un motor alternativo un mismo volumen de mezcla efectúa sucesivamente

cuatro fases diferentes: admisión, compresión, combustión y escape. En un

motor Wankel se desarrollan los mismos cuatro tiempos, pero en lugares

distintos, como si tuviéramos un cilindro dedicado a cada uno de los tiempos y

un único pistón que los recorriera todos.

En este caso el cilindro tiene forma de ocho, concretamente de una figura

denominada epitrocoide, dentro del cual se mueve un pistón geométricamente

parecido a un triangulo que realiza un giro excéntrico. Este pistón comunica su

movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior y que gira

ya con un centro único.

El rotor realiza un recorrido en el que mantiene sus tres vértices en contacto

hermético con la carcasa, delimitando así tres compartimentos separados. A

medida que el rotor gira, cada uno de los tres volúmenes ve realizando

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sucesivamente las fases de trabajo: admisión, compresión, expansión y

escape.

Los componentes fundamentales que lo constituyen son:

2.3.1 Epitrocoide:

Carcasa de forma parecida a una elipse que constituye el cilindro, con

los huecos y cámaras por donde circula el liquido de refrigeración. Se

encuentra cerrada herméticamente por ambos lados, donde van

instalados los cojinetes de apoyo.

2.3.2 Lumbreras de admisión y escape:

Situadas a uno de los lados de la carcasa, realizan el llenado de gases

frescos y expulsión de gases quemados.

2.3.3 Bujías:

Se encuentran en el lado opuesto de las lumbreras y son las

encargadas de generar la chispa.

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2.3.4 Patines:

Son una especie de segmentos dispuestos en los vértices del rotor, que

mantienen la estanqueidad radial entre sus lados.

2.3.5 Laminas en forma de vector:

Alojadas en canales laterales a ambos lados del rotor, aseguran la

estanqueidad axial.

2.3.6 Piñón de árbol motriz:

Piñón que engrana con una corona dentada que se dispone en el hueco

interior del rotor.

2.3.7 Cámara de combustión:

Lo constituye el vaciado realizado en cada lado del rotor. Cada cámara

constituye un cilindro independiente, puesto que realiza el ciclo

completo por cada revolución del rotor.

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CAPITULO III

SISTEMA DE LUBRICACION DEL MOTOR WANKEL

3.1 El sistema lubricación para el motor rotativo incluye la lubricación de los

sellos y de las superficies deslizantes, como también la lubricación de los

rodamientos del cigüeñal, del rotor, de los engranajes, etc. Generalmente, en

los motores de pequeño tamaño el aceite lubricante entra al motor

premezclado con el combustible ("fueloil"), de esta manera se logra un

montaje simple.

En motores de automóviles, sin embargo, para cubrir un amplio rango

operaciones se usa una combinación del sistema de lubricación forzada,

para alimentar una cantidad apropiada de aceite sólo en los puntos

requeridos del cigüeñal, con un sistema de lubricación separado para las

superficies deslizantes de los sellos.

3.1.1 LUBRICACION DEL CIGÜEÑAL

En la Ilustración 1 se muestra un ejemplo de los ductos del aceite

lubricante en un sistema de lubricación forzada para un motor

rotatorio.

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Los automóviles con motores rotatorios son generalmente equipados

con un enfriador de aceite para prevenir un sobrecalentamiento del

lubricante.

En algunos motores rotativos, el enfriador del aceite es provisto con un

mecanismo de termo válvula, como se muestra la Ilustración 2. Este

actúa para abrir un bypass en el enfriador del aceite mientras la

temperatura del lubricante es baja, así se previene la pérdida de calor

debido al sobre enfriamiento y al corto tiempo del calentamiento

durante el arranque del motor.

3.1.2 LUBRICACION DE LOS SELLOS

El aceite lubricante que se le provee a los sellos y a sus superficies

deslizantes sirve para mejorar tanto la hermeticidad como la

lubricación entre ellos.

Existen dos métodos de lubricación: el sistema lubricación

premezclado aceite – combustible ("fueloil") y el sistema de lubricación

separado el cual usa una pequeña bomba aceite.

El sistema de lubricación "fueloil", tiene una construcción sencilla, y es

requerido para mantener una relación de aceite elevada la cual evita la

cizalladora de los sellos causada por los productos de la combustión,

incrustaciones en la bujía, humos de escape, etc.

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Para motores de automóvil que están sujetos a un amplio rango de

condiciones de operación, generalmente se usa el sistema lubricación

separado alimentado por una bomba aceite. Este descarga una

cantidad apropiada de lubricante de acuerdo a la velocidad y carga del

motor.

En la Ilustración 3 y 4 se muestra la construcción de una bomba de

émbolo giratorio y su funcionamiento, respectivamente.

La descarga de la bomba es proporcional a la velocidad del motor. La

palanca de mariposa del carburador está conectada con la palanca de

control de la bomba. La altura de la leva de control cambia de acuerdo

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a la carga aplicada y ajusta la carrera del émbolo, y de esta manera, la

cantidad de descarga por revolución.

3.1.3 SELLO DEL ACEITE

El sistema de lubricación forzado para él motor rotativo cuenta con

sellos de aceite para prevenir las fugas del aceite desde el rotor y el

cigüeñal hacia las cámaras de combustión a través de la tolerancia

que existe entre la cara lateral del rotor y la carcasa lateral.

La Ilustración 5 muestra una construcción típica para los sellos de

aceite. Los sellos del aceite están instalados en ranuras rayadas en la

cara lateral del rotor y están presionadas contra la carcasa lateral

mediante resortes. La parte del sello de aceite que está en contacto

con la carcasa lateral se llama el labio del sello de aceite.

También se incorporan sellos redondos ("O" -rings) junto con los sellos

de aceite para prevenir que se fugue lubricante a través de la parte

inferior de las ranuras.

La Ilustración 6 muestra el movimiento de un sello de aceite. El labio

del sello de aceite en movimiento barre la capa de aceite cuando éste

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se mueve en un sentido y flota sobre la capa lubricante cuando se

mueve en sentido contrario.

Para este propósito, el labio es perfilado como se muestra la

Ilustración 7

La presión en la superficie del labio afecta considerablemente el

desempeño del sello aceite. La presión más baja en la superficie

reduce la función de barrido de la capa lubricante mientras la presión

mayor reduce la función de flotación sobre la capa de aceite. Por lo

tanto, se requiere que el sello de aceite este compuesto de un labio

con un ángulo y espesor apropiado, como también de un resorte con

una rigidez apropiada.

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El desgaste del los labios del sello de aceite producen un incremento

en su espesor, lo cual reduce la presión en su superficie llevando a

deteriorar el funcionamiento del sello. Para prevenir esto mediante el

mejoramiento de la resistencia al desgaste del sello en cuestión, se

usa una fundición con alto contenido de cromo para el sello, mientras

que la superficie interna del rotor es endurecida por cromado.

Además, la resistencia al desgaste del sello de aceite es

principalmente influenciado por el tratamiento superficial en la

superficie deslizante. En muchos casos, la superficie de la carcasa

lateral es rociada por plasma o suavemente nitrurizada.

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CONCLUSIONES

PRIMER CAPITULO:

El Motor Wankel ha sido una revolución dentro de los motores a gasolina, ha

tenido que esperar más que sus pares ya que necesitaba la tecnología y decisión

de las compañías fabricantes de automóviles para tenerlo en su línea de

producción.

SEGUNDO CAPITULO:

Ahora con los nuevos materiales de construcción, aleaciones, cerámicos, etc. y

cuando sea el día en que las compañías dejen de ver a este motor como un

diseño de prototipo, el motor Wankel dará su salto definitivo aprovechando todas

las cualidades que éste tiene, junto con superar sus fallas.

TERCER CAPITULO:

El sistema de lubricacion para cualquier tipo de motor es muy importante porque

gracias a este sistema no existe ruptura o mucho desgaste del material empleado.

Todas las piezas son expuestas a fuerzas que llevan al roce de componentes y

este sistema se encarga de hacer un minimo roce entre ellos, es decir disminuye

la fricción entre ellos.

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RECOMENDACIONES

PRIMER CAPITULO:

Se debe realizar un plan de mantenimiento preventivo para inspeccionar los

elementos y estado en el que se encuentra el motor Wankel para que su

funcionamiento sea muy eficiente.

SEGUNDO CAPITULO:

Si en el funcionamiento del motor Wankel puede realizarse con otro tipo de

material se recomienda cambiarlo ya que conforme pasa el tiempo las

propiedades del mismo se alteran, perjudicando en el funcionamiento del motor.

TERCER CAPITULO:

Si se implementa un aceite mezclado con agua, se recomienda cambiarlo cada

año como máximo ya que conforme pasa el tiempo las propiedades del mismo se

alteran, perjudicando en el funcionamiento del sistema de lubricacion.